[发明专利]基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于交流电机传动技术领域，涉及一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法。

背景技术

能源环境问题和汽车工业面临的金融危机，使得电动汽车的研究得到了各国的广泛关注。电动汽车除了在能源环保和节能方面显示出优越性和强大的竞争力外，在车辆性能方面也显示出巨大的优势。电动汽车的转矩响应迅速、加速快、比燃油汽车高出2个数量级，电机可分散配置，通过线传电子控制技术直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向；电动汽车将成为汽车发展的一种趋势和必然。

电动机和驱动控制系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽，转速高，启动转矩大，体积小，质量小，效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。永磁同步电机系统具有绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器，具有较高的能量密度和效率，体积小，惯性低，响应快，非常适用于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。同时，我国拥有丰富的稀土资源，国内的永磁材料的成本有望降低，从而永磁同步电机相比于其他类电机在价格方面也将占有绝对的优势。

永磁同步电机的直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一种高性能控制技术。它摒弃了矢量控制的解耦思想，直接对电机的定子磁链和转矩进行控制，具有结构简单，控制直接，动态响应快的特点。但是作为一种新兴的控制方式，直接转矩控制存在磁链和转矩脉动严重，低速性能差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统及方法，实现永磁同步电机控制器的强的鲁棒性、高的稳定性和稳态精度的同时，达到控制电机运转时的快速性和强的抗负载扰动能力。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统，包括转矩磁链观测器、扇区判断单元、开关状态信号选择单元、转速检测单元、分数阶调节器、磁链滞环控制器、转矩滞环控制器、零矢量选择单元、逆变器，以及第一、第二和第三运算单元；其中，所述转矩磁链观测器通过坐标转换单元连接在永磁同步电机的输出端，所述转速检测单元连接在永磁同步电机的输出端，所述转速检测单元的输出端通过第一运算单元连接在分数阶调节器的输入端；所述转矩磁链观测器的输出端连接在所述扇区判断单元的输入端，所述扇区判断单元的输出端连接所述开关状态信号选择单元；所述转矩磁链观测器的输出端同时连接在第二运算单元和第三运算单元的输入端，其中，所述第二运算单元的输出端连接在磁链滞环控制器的输入端，所述第三运算单元的输出端分别连接在转矩滞环控制器的输入端和零矢量选择单元的输入端；所述磁链滞环控制器的输出端、转矩滞环控制器的输出端以及零矢量选择单元的输出端分别连接在开关状态信号选择的输入端；所述开关状态信号选择单元的输出端通过逆变器与所述永磁同步电机的输入端相连。

作为本发明的优选实施例，所述分数阶调节器的传递函数为：G_fc(s)＝K_P+K_is^-λ+K_ds^μ，其中，0＜λ≤1，0＜μ≤1，K_P为比例增益，K_i为积分系数，K_D为微分系数，λ为积分阶次，μ为微分阶次；

一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，首先将永磁同步电机的电流和电压信号转为电机的转矩和磁链信号，接着，通过磁链信号确定其所在扇区；同时，永磁同步电机的转速经与设定转速比较后通过分数阶调节器转为转矩；接着，所述分数阶调节器输出的转矩与电机的实际转矩经比较后得到转矩环，所述电机的磁链与设定的磁链比较后得到磁链环，最后通过磁链环、转矩环、磁链所在扇区，以及零矢量选择单元对永磁同步电机进行控制。

作为本发明的优选实施例，所述永磁同步电机的电流和电压信号转为电机的转矩和磁链信号前，首先将电流和电压信号由三相静止坐标系转到二相静止坐标系；

作为本发明的优选实施例，通过磁链信号确定其所在扇区时，是通过磁链信号在二相静止坐标系下的两个分量进行确定的；

作为本发明的优选实施例，对永磁同步电机进行控制的具体方法为：首先通过磁链环、转矩环、磁链所在扇区，以及零矢量选择单元在开关状态选择单元内生成6路PWM波，然后通过该PWM波控制逆变器开关的导通，从而实现对永磁同步电机的控制。

一种基于分数阶的电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：